足球机器人转动惯性的分析研究

基本信息
作者: 陈盛
学生学号: 98009003
班级:
专业: 机械制造及其自动化
学校: 中国科学技术大学
指导老师: 李永新
写作日期: 02-6
字数: 14,741
编号: 12
类别: 工科>自动化
级别: 本科毕业论文

[摘要]
机器人竞赛是近年来国际上迅速开展起来的高技术对抗活动，它涉及人工智能、机器人学、通讯、传感、精密机械和仿生材料等诸多领域的前沿研究和技术融合，集高新技术、娱乐和比赛于一体，所以引起了社会的广泛关注和极大的兴趣。机器人竞赛是科普活动的一个良好载体，同时也是基础研究的一个大舞台。为了推动机器人及智能控制技术的发展，国际上推出了不同类型的机器人比赛，其中机器人足球比赛十分引人注目。
本文所述足球机器人为Rob-cup国际足球机器人比赛中的小型组机器人，它主要有机器人小车，视觉子系统，无线通信子系统，决策子系统，控制反馈子系统组成。其中，机器人小车主要有底板，外壳，电机，减速机构，轮子，编码器，红外监测装置，无线接收器，通信模块电路板，决策模块电路板，控制反馈模块电路板，电源等组成。机构设计主要指标有：最大线速度，外形尺寸，运行平稳，启动快。
足球机器人的转动惯性是影响机器人性能的主要因素之一。目前我们的研究组已经有了车体的设计方案，已经制造出了真实的足球机器人车体。在已有车体真实模型的基础上，本文论述了通过实验的方法来计算出足球机器人的转动惯量，分析影响机器人转动惯性的因素。并且利用现代系统优化理论，进一步对足球机器人的系统结构进行优化设计。
本文还论述了在真实的足球机器人模型没有制造出来时，也就是在设计阶段，通过有限元分析，用有限元分析软件ANSYS对设计方案进行仿真建模，然后求解，可以得到系统的一些参数，包括足球机器人的转动惯量等不容易直接计算的系统参数。而且可以分析这些参数的合理性，找到设计中的不足之处，直接对系统进行进一步的优化处理，可以方便的修改系统的参数，使系统的性能达到最优。这样的设计方法不用制造出真实的车体，从而节省了大量的时间和消耗，而且可以在设计阶段就已知系统的一些性能参数，从而能设计出更合理、性能更高的系统，使各方面资源配置最优。这样充分利用现代计算机软件和硬件的高速发展，使设计工作更富有成效。

目 录
绪言……………………………………………………………… 1
第一章 足球机器人简介 ……………………………………… 3
1.1 半自主小型组足球机器人比赛 ……………………………… 3
1.2 足球机器人车体结构简介…………………………………… 4
第二章 足球机器人的转动惯量的计算 ……………………… 6
2.1 动量矩定理 ……………………………………………… 6
2.1.1 动量矩 …………………………………………… 6
2.1.2 动量矩定理 ………………………………………… 8
2.2 刚体的转动惯量、平行轴定理……………………………… 9
2.2.1 转动惯量的概念和计算…………………………………9
2.2.2 平行移轴定理…………………………………………10
2.3 三线摆法测定足球机器人的转动惯量………………………… 10
2.3.1 三线摆测转动惯量原理………………………………… 10
2.3.2 三线摆测转动惯量实验步骤…………………………… 13
2.3.3 实验原始数据记录…………………………………… 13
2.3.4 实验数据处理 ………………………………………14
2.3.5 实验结论…………………………………………… 14
第三章 用有限元分析软件ANSYS求系统的转动惯量………15
3.1有限元分析方法的基本原理 …………………………………15
3.1.1 分割原理 ……………………………………………15
3.1.2 系统的能量极值原理………………………………… 16
3.1.3 有限元法的离散求解步骤 …………………………… 17
3.2 有限元分析软件ANSYS简介……………………………… 17
3.2.1 ANSYS简介 ……………………………………… 17
3.2.2 ANSYS的特点 ………………………………………18
3.3 用ANSYS分析系统转动惯量……………………………… 19
第四章 车体转动惯性的分析 …………………………………21
第五章 对足球机器人结构进行优化 …………………………23
5.1优化设计理论 …………………………………………… 23
5.1.1 设计变量 ………………………………………… 23
5.1.2 目标函数 ………………………………………… 24
5.1.3 约束条件 ………………………………………… 25
5.2足球机器人优化设计……………………………………… 26
第六章 结论与展望 ………………………………………… 29
致谢 …………………………………………………………… 30
参考文献…………………………………………………………31